Pytania na kolokwium – Materiałoznawstwo, ZIP

1. Rodzaje materiałów inżynierskich, definicja i charakterystyka.

-metale i ich stopy: dobra wytrzymałość mechaniczna i ciągliwość, dobra przewodność elektryczna i cieplna, mała odporność korozyjna

-ceramika i szkła: wytrzymałe na działanie obciążeń ściskających, są dobrymi izolatorami, dobra odporność korozyjna i wytrz wysokich temperatur, są kruche

-polimery: mała wytrzymałość mechaniczna, są izolatorami elektrycznymi i cieplnymi, nie nadaja się do zast w wysokich temperaturach

-kompozyty: są kompozycją własności powyższych materiałów

1. Zależności pomiędzy procesem wytwarzania, strukturą i własnościami.

2. Klasyfikacja wiązań pomiędzy atomami: wiązania silne vs. wiązania słabe.

Wiązania pierwotne (silne): atomowe, jonowe, metaliczne. Wiązania wtórne (słabe): tworzą się dzięki elektrostatycznemu przyciąganiu się dipoli elektrycznych na małych odległościach oraz wiązania wodorowe gdzie - każdy atom wodoru oddaje atom najbliższemu atomowi tlenu. Dodatnio naładowany H działa jak wiązanie mostkowe pomiędzy sąsiednimi jonami tlenu

1. Charakterystyka wiązań jonowych: schemat i opis.

Gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez atom elektroujemny (siły Coulumba), duża rezystywność, odporność cieplna, kruchość substancji, najczęściej przezroczyste lub o różnym zabarwieniu, wysoka temperatura topnienia, przewodnictwo w niskich temp, duża twardość

1. Charakterystyka wiązań kowalencyjnych: schemat i opis.

Gdy para elektronów zostaje uwspólniona przez dwa atomy (w przypadku atomów elektroujemnych – podczas przenikania się ich orbitali, np. CH₄) wyst głównie w gazach a także w strukturze subst stałych, np. Si, Ge, diament. Subst z wiązaniami atomowymi są izolatorami w niskich temperaturach, przewodnikami w wys temp, duza twardość i kruchość.

1. Charakterystyka wiązań metalicznych: schemat i opis.

Występują w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, elektrony poruszają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami dodatnimi) tworząc gaz elektronowy. Cechują się plastycznością i dobrym przewodnictwem elektrycznym.

1. Charakterystyka wiązań siłami Van der Waalsa: schemat i opis.

Siły Van der Waalsa występują między wszystkimi cząsteczkami i atomami (ich wyst. potwierdza się przy min. 1 wiązaniu silnym). Występują między dipolami at/cząst które wyst w przypadku przemieszczenia ładunków dodatnich i ujemnych w at/cząst.

1. Własności tworzyw metalicznych.

Tworzywa metaliczne charakteryzują się wiązaniami metalicznymi, stopy stopy metali i układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka o przewadze wiązań metalicznych.

Podstawowe stopy metaliczne to stopy żelaza z węglem (stale, staliwa, żeliwa), metale nieżelazne i ich stopy: metale lekkie (Al., Mg, Ti), metale ciężkie (Cu, Zr, Mo, W, Cr), stopy aluminium i stopy miedzi (brąz, mosiądz)

1. Własności materiałów ceramicznych i szkieł.

Ceramika stanowi materiały nieorganiczne o wiązaniach atomowych i jonowych w wysokich temperaturach, można do nich zaliczyć: ceramikę inżynierską, cermetale, ceramikę porowatą, szkła, ceramikę szklaną

1. Własności polimerów.

Ze względu na właściwości dzielimy je na plastomery i elastomery. Plastomery charakteryzują się wydłużaniem przy rozciąganiu nie większym niż 200% (np. PE i PP), dzielimy je na polimery termoplastyczne (termoplasty) i polimery utwardzane (duroplasty). Elastomery charakteryzują się skłonnością do dużych odkształceń i sprężystością. Charakterystyka polimerów: mała gęstość, izolacyjne właściwości cieplne i elektryczne, słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste, zwykle nie nadają się do pracy w podwyższonych temperaturach.

1. Własności materiałów kompozytowych.

Kompozyty obejmują bardzo różnorodną grupę materiałów konstrukcyjnych. Określenie ‘kompozyty’ oznacza materiał powstały przez ścisłe zespolenie conajmniej dwóch chemicznie różnych materiałów (faz – zbrojącej i osnowy) w taki sposób, aby mimo wyraźnej granicy rozdziału między nimi nastąpiło dobre i ciągłe połączenie składników oraz możliwie równomierne rozłożenie fazy zbrojącej w osnowie.

1. Porównanie podstawowych własności mechanicznych, technologicznych i eksploatacyjnych materiałów inżynierskich. Omówić wybrany wykres (Rm/gęstość, Rm/E, Rm/Kci, etc…).

2. Definicja komórki elementarnej oraz parametrów ją opisujących (parametrów sieciowych).

Komórka elementarna jest to najmniejszy element sieci, którego powielenie w przestrzeni

pozwala na odtworzenie całej sieci.

Sieć przestrzenna jest to odwzorowane położenie atomów/cząsteczek w przestrzeni.

Powstaje w wyniku przesunięcia płaszczyzny sieciowej w kierunku równoległym do niej.

1. Struktury krystaliczne metali (struktura A1, A2 i A3).

A1 (RSC) — regularna ściennie centrowana. Sieć najgęściej wypełniona rdzeniami atomowymi (14 rdzeni). Zwarte ułożenie w przestrzeni. Krystalizują się w niej metale o najwyraźniejszych cechach metalicznych: złoto, srebro, aluminium, platyna, miedź, nikiel, ołów, żelazo etc.

A2 (RPC) – znajduje się 9 rdzeni atomowych. Najgęstsze ułożenie rdzeni atomowych mają płaszczyzny {110} których jest 12, a w nich kierunku <111>, po dwa w każdej płaszczyźnie. Wypełnienie atomami i model komórki elementarnej.

wanad, niob, wolfram, chrom, żelazo

A3(HZ) heksagonalna zwarta- gęste ułożenie rdzeni atomowych - 3 elementarne komórki sieciowe są złożone z 17 rdzeni atomowych. W sieci tej występują gęsto obsadzone atomami płaszczyzny (0001), podobnie jak płaszczyzny {111} w sieci A1

oraz 3 kierunki o gęstym ułożeniu atomów <1120>. W idealnej sieci A3 stosunek osiowy c/a wynosi 1,633.

Jak A1 charakteryzuje się zwartym ułożeniem atomów w przestrzeni.

Beryl, magnez, cynk i kadm.

1. Prosta i płaszczyzna sieciowa.

2. Struktury o najgęstszym ułożeniu atomów.

3. Cechy charakterystyczne komórki (liczba koordynacyjna, gęstość upakowania, stopień wypełnienia przestrzeni).

4. Polimorfizm (wielopostaciowość).

Niektóre substancje występują w odmianach różniących się budową krystaliczną, w a odniesieniu do pierwiastków chemicznych – alotropią. Zasadniczym czynnikiem wywołującym przemiany alotropowe jest temperatura (takie pierwiastki to, np. Fe, Ni, Co, Ti )

1. Odmiany alotropowe żelaza (opisać przemiany zachodzące podczas grzania i chłodzenia).

2. Anizotropia.

Jest to zależnośc pewnych właściwości kryształów od kierunku badania. Przyczyną anizotropii jest różna gęstość rozmieszczenia atomów na różnych kierunkach i w różnych płaszczyznach. Anizotropia dotyczy własności fizycznych, tj. optycznych, magnetycznych, elektrycznych, cieplnych oraz chemicznych takich jak odporność korozyjna, szybkość rozpuszczania i mechanicznych (wytrzymałość, twardość, wydłużanie).

1. Definicja naprężenia i odkształcenia.

2. Rodzaje odkształceń sprężystych.

3. Definicja modułu sprężystości wzdłużnej i postaciowej.

4. Rodzaje defektów struktury krystalicznej.

5. Charakterystyka defektów punktowych.

Mają niewielkie wymiary i są efektem drgań cieplnych i oraz działania sił zewnętrznych, którym podlegają atomy w sieci.

Wakans – jest to defekt punktowy, brak atomu w węźle sieci, powoduje kontrakcje (zapadanie) sieci i jej ekspansje. (rys.a)

Atom wtrącony – (atomy międzywęzłowe) - atomy, które zajęły pozycje w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgań cieplnych (rys.b)

Defekt Frenkla - mechanizm związany z jednoczesnym utworzeniu wakansu i atomu międzywęzłowego, polega na przemieszczeniu się wakansu z pozycji węzłowej do przestrzeni międzywęzłowej.

Defekt Schottky’ego – powstaje w materiałach o wiązaniach jonowych. Polega na przeniesieniu się atomu w miejsce sąsiadującego wakansu, w wyniku czego powstaje wakans w innym miejscu sieci.

1. Charakterystyka defektów liniowych.

Defekt śrubowy

Śrubowe:

- wektor Burgersa równoległy do linii dyslokacji

- może być prawoskrętna (+) i lewo skrętna (-)

Defekt krawędziowy

Krawędziowe :

- wektor Burgersa jest prostopadły do linii dyslokacji (dyslokacja krawędziowa powstaje w skutek utworzenia się dodatkowej płaszczyzny)

- mogą być dodatnie i ujemne

- ruch dyslokacji krawędziowej (ma znaczenie w temp. wyższych) :

1) poślizg – zależy od przyłożonego naprężenia a nie od temp.

2) wspinanie (zstępowanie) – ruch atomu w górę i dół prostopadle do płaszczyzny poślizgu.

1. Charakterystyka defektów powierzchniowych.

2. Zjawisko dyfuzji: definicja, schemat, rodzaje dyfuzji.

3. Pierwsze i drugie prawo Ficka.

Pierwsze prawo Ficka jest stosowane w opisie procesów dyfuzji, np. kiedy stężenie strumienia dyfuzji objętościowej nie zmienia się z czasem.

Drugie prawo Ficka jest stosowane, gdy strumień dyfuzji zmienia się lokalnie w czasie.

1. Teoretyczna wytrzymałość materiałów. Wyprowadzenie zależności dla obliczenia maksymalnej wartości naprężenia stycznego.

2. Dyslokacje krawędziowe i śrubowe.

3. Rozmnażanie dyslokacji. Zasada działania źródła Franka-Reada.

4. Schemat granicy nachylenia i skręcenia.

5. Reguła faz Gibbsa.

Równowagę faz opisuje reguła faz Gibbsa, która mówi, że: suma maks. liczby faz f, które mogą współistnied w układzie w stanie równowagi oraz liczby stopni swobody s jest równa liczbie niezależnych składników układu n powiększonej o 2

Liczba stopni swobody f + s = n + 2 lub s = n –f + 2 (s = n –f + 1)

•Równowaga czterech i więcej faz w układach dwuskładnikowych jest niemożliwa (p = const)

•Równowaga trzech faz w tych układach jest możliwa w stałej temperaturze przy określonym stężeniu składników w fazach (eutektyki lub perytektyki)

•Dwie fazy są w równowadze nawet przy zmianie bądź stężenia składnika w fazie, bądź temperatury

•Dla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia, i temperatury